Искусственный фотосинтез — очередной путь к водородной энергетике
Наука и техника | 05.03.2010
Искусственный фотосинтез — очередной путь к водородной энергетике Пришествие эры водородной энергетики тормозится тем, что создание водорода — процесс очень энергоемкий. По воззрению германских ученых, многообещающим способом получения водорода может стать искусственный фотосинтез.
Многие специалисты не представляют для себя будущее энергетики — либо, если желаете, энергетику грядущего — без водорода в качестве экологичного энергоэлемента. Но где его взять? Ведь в природе водород в чис
том виде фактически не встречается. К относительно легкодоступным способам его получения относятся паровая конверсия природного газа и метана, газификация угля и электролиз воды, но все это — процессы энергоемкие.
А означает, энергобаланс, скажем, топливного элемента, если учесть затраты энергии на получение водорода, никакого прорыва в светлое будущее не сулит — по последней мере, до того времени, пока создание водорода не будет переведено на возобновляемые источники энергии.
«…воплотить всю эту биохимию искусственно»
Да и в данном случае — как использовать их более отлично? Один из путей предлагают ученые Института прикладной физики твердого тела Общества имени Фраунгофера во Фрайбурге. Они считают многообещающим последовать примеру живой природы — ведь растениям для производства водорода полностью довольно воды, солнечного света и биокатализаторов.
Доктор Кристоф Небель (Christoph Nebel) объясняет: «Необходимо представлять для себя дело так, что фотосинтез происходит всюду, он практически окружает нас. Хоть какое дерево, хоть какой кустик создают водород в процессе фотосинтеза. И сейчас ученые в различных странах мира прилагают много усилий к тому, чтоб воспроизвести и воплотить всю эту биохимию искусственно».
Сам доктор разрабатывает эту тему вот уже 3-ий год. Он уверен, что искусственный фотосинтез ляжет в базу экологичной энергетики грядущего: «Сейчас мы лучше разбираемся в том, как работают белки, потому, я думаю, на данный момент самое время более интенсивно взяться за разработку промышленной технологии на базе фотосинтеза. Так же, как лет 60 вспять началась разработка фотогальванических устройств на базе фотоэффекта».
Но если элементы солнечных батарей представляют собой, на самом деле дела, просто тонкие полупроводниковые пленки либо пластинки, в каких происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество, то устройство, способное выполнить искусственный фотосинтез, еще труднее. Главную роль тут играют молекулы светочувствительных белков, накапливающие под действием солнечного излучения электронный заряд.
А этот заряд, в свою очередь, может разложить молекулу воды на составные элементы — водород и кислород. «Другими словами мы берем молекулы белков, размещаем их на некоей поверхности и подвергаем солнечному облучению, — гласит доктор Небель. — Если все это происходит в аква среде, то начинает выделяться водород».
Композиция из белков и алмазов
Основным действующим лицом в этой схеме является одна из разновидностей цитохрома-С — маленького протеина, присутствующего в митохондриях всех живых организмов. Митохондрии — это органеллы клеточки, обеспечивающие ее энергией. Чтоб сделать белкам рациональные условия для трансформации света в электронный заряд, доктор Небель соорудил для их что-то вроде ложа для йогов — либо, если желаете, кровати Рахметова из романа Чернышевского «Что делать», — но исключительно в маленьком масштабе.
Устройство представляет собой маленькую пластинку, утыканную несметным количеством маленьких алмазных штырьков с шагом в несколько нанометров. В образованных штырьками ячейках и размещены молекулы белков. Во избежание их деградации вся конструкция погружена в физиологический раствор, другими словами раствор поваренной соли в воде. Под воздействием света молекулы белков передают один из собственных электронов алмазным штырькам, с которыми они химически связаны.
Так как алмаз — это незапятнанный углерод, он совершенно подходят в качестве материала для таковой матрицы, — гласит доктор Небель: «Деградации в принципе не происходит, так как углерод в воды не окисляется. Если б вы сделали поверхность из металлов либо кремния, безупречного полупроводника, то у вас появились бы суровые трудности при переходе в жидкость. Кремний окисляется, образует кварцевый песок, из него крепкую и долговременную поверхность не получишь. Потому для наших целей лучший материал — углерод. Это не непременно должен быть алмаз, но алмаз комфортен в воззвании и обходится не так недешево в производстве».
С живой природой соперничать тяжело
На сегодня фрайбургские ученые во главе с доктором Небелем уже располагают алмазно-белковыми наноструктурами размером с ладонь. Коэффициент полезного деяния таких жидкостных солнечных частей с функцией производства водорода может достигать 20, а то и 30 процентов — по последней мере, в теории.
«В наших структурах этот показатель составляет наименее 1-го процента, — признается доктор Небель. — Но это сравнимо с КПД деревьев. Если поглядеть на природный фотосинтез, то его эффективность составляет — зависимо от того, о каких растениях либо водных растениях речь идет, — от 0,5 до 1,5 процентов».
Таким макаром, по части эффективности искусственные структуры доктора Небеля уже сейчас могут соперничать с живой природой. Но что касается долговечности, здесь еще есть над чем поработать. Дело в том, что насыщенное солнечное облучение разрушает светочувствительные белки в алмазных ячейках.
Понятно, что это исключает их практическое внедрение. С другой стороны, на то, чтоб солнечные батареи получили общее распространение, ушел не один десяток лет. Усилия, прилагаемые учеными по всему миру, позволяют возлагать, что в случае с искусственным фотосинтезом прорыв не принудит себя ожидать настолько же длительно.
Создатель: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева
Источник — www.dw-world.de/dw/article/0,,5325957,00.html